Une équipe de recherche dirigée par l’Université de technologie de Chalmers, en Suède, a présenté une nouvelle méthode pour produire du gaz hydrogène sans le métal rare et coûteux qu’est le platine. En utilisant la lumière du soleil, l’eau et de minuscules particules de plastique conducteur d’électricité, les chercheurs montrent comment l’hydrogène peut être produit efficacement, durablement et à faible coût.
L’hydrogène joue un rôle clé dans la quête mondiale d’énergie renouvelable. Bien que son utilisation ne produise que de l’eau comme sous-produit, des défis importants subsistent avant que l’hydrogène puisse être produit à la fois à grande échelle et de manière écologique.
Un défi majeur est l’utilisation du métal platine comme co-catalyseur lorsque la lumière du soleil et l’eau sont utilisées pour produire de l’hydrogène. Les réserves terrestres de platine sont limitées, et son extraction présente des risques pour l’environnement et la santé humaine. De plus, la production est concentrée dans seulement quelques pays, par exemple l’Afrique du Sud et la Russie.
Dans une nouvelle étude, publiée dans la revue scientifique Advanced Materials, une équipe de recherche dirigée par le professeur Ergang Wang à Chalmers, montre comment l’énergie solaire peut être utilisée pour produire du gaz hydrogène efficacement – et complètement sans platine.
Le processus, explique le chercheur de Chalmers Alexandre Holmes, implique de petites quantités de particules de plastique conducteur d’électricité. Immergées dans l’eau, les particules interagissent à la fois avec la lumière du soleil et avec leur environnement.
« Développer des photocatalyseurs efficaces sans platine a été un rêve de longue date dans ce domaine. En appliquant une conception avancée des matériaux à nos particules de plastique conducteur, nous pouvons produire de l’hydrogène efficacement et durablement sans platine – à un coût radicalement inférieur, et avec des performances qui peuvent même surpasser les systèmes à base de platine », affirme Holmes, qui, avec Jingwen Pan du groupe de Jiefang Zhu à l’Université d’Uppsala, est co-premier auteur de l’article.
Vaincre la peur de l’eau, la clé du succès
Les efforts pour surmonter le goulot d’étranglement du platine sont en cours depuis plusieurs années dans le groupe de recherche de Wang à Chalmers.
La clé de la nouvelle approche réside dans la conception avancée des matériaux du plastique conducteur d’électricité utilisé dans le processus. Ce type de plastique, connu sous le nom de polymères conjugués, absorbe efficacement la lumière, mais est généralement moins compatible avec l’eau.
En ajustant les propriétés du matériau au niveau moléculaire, les chercheurs ont rendu le matériau beaucoup plus compatible avec l’eau.
« Nous avons également développé un moyen de former le plastique en nanoparticules qui peuvent améliorer les interactions avec l’eau et stimuler le processus de conversion lumière-hydrogène. L’amélioration provient de chaînes polymères moins compactes et plus hydrophiles à l’intérieur des particules », explique Holmes.
Dans le réacteur du laboratoire de chimie de Chalmers, des bulles de gaz hydrogène peuvent être facilement vues à l’œil nu lorsqu’elles se forment – montrant que la photocatalyse se produit efficacement.
Lorsqu’une lampe à lumière solaire simulée est dirigée vers un bécher d’eau contenant les nanoparticules, de petites bulles de gaz hydrogène commencent presque immédiatement à se former et à monter à travers l’eau. Les bulles sont collectées et guidées par des tubes vers un conteneur de stockage, et la quantité de gaz produite peut être surveillée en temps réel.
« Avec seulement un gramme du matériau polymère, nous pouvons produire 30 litres d’hydrogène en une heure », déclare Holmes.
Non seulement cela, une percée récemment publiée par des collègues chercheurs de Chalmers montre que le plastique conducteur d’électricité peut également être produit sans l’utilisation de produits chimiques nocifs et d’une manière beaucoup plus rentable.
Éviter un autre ingrédient coûteux : la vitamine C
La prochaine étape majeure pour le groupe de Wang sera de faire fonctionner le processus de production d’hydrogène en utilisant uniquement la lumière du soleil et l’eau, sans aucun produit chimique auxiliaire ajouté.
Actuellement, ils utilisent de la vitamine C, qui agit comme un antioxydant dit sacrificiel. En donnant des électrons, elle empêche la réaction de s’arrêter, ce qui en laboratoire peut montrer des taux de production d’hydrogène élevés.
Pour réaliser un hydrogène solaire véritablement durable, explique le professeur Wang, l’objectif est de scinder les molécules d’eau en hydrogène et oxygène simultanément, avec la lumière du soleil et l’eau comme seules entrées.
« Supprimer le besoin de platine dans ce système est une étape importante vers une production durable d’hydrogène pour la société. Maintenant, nous commençons à explorer des matériaux et des stratégies visant à réaliser la scission complète de l’eau sans additifs. Cela prendra encore quelques années, mais nous croyons être sur la bonne voie », souligne le responsable de la recherche Ergang Wang, professeur au Département de chimie et de génie chimique de Chalmers.
En savoir plus sur le plastique conducteur d’électricité :
Le plastique conducteur d’électricité est également connu sous le nom de polymères conjugués. Les polymères conjugués sont des matériaux semi-conducteurs analogues aux semi-conducteurs inorganiques tels que le silicium. Cette nature semi-conductrice permet de fabriquer un nouveau type de technologie – l’électronique organique – qui peut être utilisée dans de nombreux domaines différents tels que la conversion et le stockage d’énergie, l’électronique portable, les textiles électroniques et la biotechnologie en lien avec ou à proximité du corps.
La recherche est menée depuis longtemps pour rendre les polymères conjugués stables et améliorer leurs propriétés conductrices d’électricité.
La découverte que certains types de plastique peuvent conduire l’électricité a été faite dans les années 1970 et a été récompensée par le prix Nobel de chimie en 2000. Les lauréats étaient Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid et Hideki Shirakawa.
En bref sur l’hydrogène :
L’hydrogène est un vecteur d’énergie qui est utilisé pour transporter, stocker et fournir de l’énergie, tout comme l’électricité. L’hydrogène peut être produit à partir de différents types de sources d’énergie : fossiles, sans fossiles, renouvelables. L’hydrogène a un grand potentiel dans les systèmes d’énergie renouvelable, où il peut être produit à partir, par exemple, de la lumière du soleil ou du vent. L’hydrogène est actuellement utilisé dans le monde entier pour stocker l’énergie solaire et éolienne, rendre les habitations autonomes en énergie et comme carburant pour véhicules sans émissions nocives.
Article : Highly Efficient Platinum-Free Photocatalytic Hydrogen Evolution From Low-cost Conjugated Polymer Nanoparticles – Journal : Advanced Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Chalmers U.
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